DE102005055652A1

DE102005055652A1 - Multi-pulse reset writing scheme for phase change memory

Info

Publication number: DE102005055652A1
Application number: DE102005055652A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. Happ
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Polaris Innovations Ltd
Priority date: 2004-11-23
Filing date: 2005-11-22
Publication date: 2006-07-20
Anticipated expiration: 2025-11-23
Also published as: US7031181B1; DE102005055652B4

Abstract

Speicherzellvorrichtung und Verfahren mit einer Speicherzelle und ersten und zweiten Schreibimpulssignalen. Die Speicherzelle weist Phasenwechselmaterial auf, das gesetzt (set) und zurückgesetzt (reset) werden kann. Die ersten und zweiten Schreibimpulssignale werden für eine einzige Rücksetz-Operation der Speicherzelle verwendet. Das erste Schreibimpulssignal erhitzt und schmilzt einen ersten Teil des Phasenwechselmaterials der Speicherzelle. Das zweite Schreibimpulssignal erhitzt und schmilzt einen zweiten Teil des Phasenwechselmaterials der Speicherzelle.A memory cell device and method comprising a memory cell and first and second write strobe signals. The memory cell has phase change material that can be set and reset. The first and second write strobe signals are used for a single reset operation of the memory cell. The first write strobe signal heats and melts a first portion of the phase change material of the memory cell. The second write pulse signal heats and melts a second portion of the phase change material of the memory cell.

Description

Hintergrundbackground

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektrische Phasenwechselspeicher. Insbesondere werden ein System und ein Betriebsverfahren für Phasenwechselspeicher bereitgestellt, die ein Mehrimpuls-Rücksetz-Schreibschema verwenden. Phasenwechselmaterialien können wenigstens zwei unterschiedliche Zustände aufweisen. Daher kann Phasenwechselmaterial in einer Speicherzelle zum Speichern eines Datenbits verwendet werden. Die Zustände eines Phasenwechselmaterials können als amorphe und kristalline Zustände bezeichnet werden. Diese Zustände können dadurch unterschieden werden, dass der amorphe Zustand im Allgemeinen einen höheren Widerstand aufweist als der kristalline Zustand. Im Allgemeinen weist der amorphe Zustand eine ungeordnetere Atomstruktur auf, während der kristalline Zustand ein geordnetes Gitter aufweist.The The present invention relates to electrical phase change memories. In particular, a system and an operating method for phase change memory provided using a multi-pulse reset write scheme. Phase change materials can have at least two different states. Therefore, phase change material in a memory cell for storing a data bit. The conditions of a phase change material as amorphous and crystalline states be designated. These states can be distinguished by the fact that the amorphous state in general a higher Has resistance as the crystalline state. In general For example, the amorphous state has a more disordered atomic structure, while the crystalline one State has an ordered grid.

Der Phasenwechsel in den Phasenwechselmaterialien kann reversibel veranlasst werden. Auf diese Weise kann der Speicher im Ansprechen auf Temperaturwechsel vom amorphen in den kristallinen Zustand und umgekehrt wechseln. Die Temperaturwechsel, denen das Phasenwechselmaterial unterworfen ist, können auf vielfältige Art und Weise bewirkt werden. Beispielsweise kann ein Laser auf das Phasenwechselmaterial gerichtet werden, kann Strom oder Spannung durch das Phasenwechselmaterial getrieben werden, oder kann Strom oder Spannung durch eine Widerstands-Heizvorrichtung nahe des Phasenwechselmaterials zugeführt werden. Bei jedem dieser Verfahren verursacht die gesteuerte Erwärmung des Phasenwechselmaterials einen steuerbaren Phasenwechsel in dem Phasenwechselmaterial.Of the Phase change in the phase change materials can be reversibly caused become. In this way, the memory can respond in response to temperature changes from the amorphous to the crystalline state and vice versa. The temperature changes to which the phase change material subjected is, can on diverse Way be effected. For example, a laser may be on The phase change material can be directed to current or voltage are driven by the phase change material, or can be electricity or voltage through a resistance heater near the phase change material supplied become. In each of these methods, the controlled heating of the Phase change material a controllable phase change in the phase change material.

Wenn ein Phasenwechselspeicher einen Speicherarray aufweist, der eine Vielzahl von Speicherzellen umfasst, die aus Phasenwechselspeichermaterial bestehen, kann der Speicher so programmiert werden, dass er Daten unter Ver wendung der Speicherzustände des Phasenwechselmaterials speichert. Eine Art und Weise, Daten aus einer oder in eine derartige Phasenwechsel-Speichervorrichtung auszulesen oder zu schreiben ist es, den Strom (oder die Spannung), der (die) durch das Phasenwechselmaterial geleitet wird, zu steuern. Derartiges Steuern von Strom oder Spannung kann entsprechend auch die Temperatur in jeder Speicherzelle steuern. Typischerweise neigt, wenn Strom durch das Phasenwechselmaterial getrieben wird, die induzierte Wärme dazu, sich in der Mitte der Zelle zu konzentrieren. Dies kann zu beträchtlicher Überhitzung in der Mitte des Phasenwechselmaterials führen und somit die Zuverlässigkeit der Vorrichtung negativ beeinflussen.If a phase change memory comprises a memory array having a Variety of memory cells includes, consisting of phase change memory material The memory can be programmed to store data stores using the storage conditions of the phase change material. One way, data from or into such a phase change memory device to read or write it is the current (or voltage), which is passed through the phase change material to control. Such control of current or voltage can be done accordingly control the temperature in each memory cell. Typically, when current is driven through the phase change material that induced Heat, to concentrate in the middle of the cell. This can lead to considerable overheating the center of the phase change material and thus the reliability negatively affect the device.

Aus diesem und weiteren Gründen besteht ein Bedarf an der vorliegenden Erfindung.Out this and other reasons there is a need for the present invention.

ZusammenfassungSummary

Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt eine Speicherzellvorrichtung und ein Verfahren mit einer Speicherzelle und ersten und zweiten Schreibimpulssignalen zur Verfügung. Die Speicherzelle weist ein Phasenwechselmaterial auf, das gesetzt (set) und zurückgesetzt (reset) werden kann. Der erste und der zweite Schreibimpuls werden für eine einzige Rücksetz-Operation der Speicherzelle verwendet. In einem Fall erhitzt und schmilzt das erste Schreibimpulssignal einen ersten Teil des Phasenwechselmaterials der Speicherzelle. Das zweite Schreibimpulssignal erhitzt und schmilzt einen zweiten Teil des Phasenwechselmaterials der Speicherzelle.One Aspect of the present invention provides a memory cell device and a method having a memory cell and first and second Write pulse signals available. The memory cell has a phase change material that is set and reset (reset) can be. The first and second write pulses will be for one single reset operation the memory cell used. In one case, it heats and melts the first write pulse signal comprises a first part of the phase change material the memory cell. The second write pulse signal heats and melts a second part of the phase change material of the memory cell.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description of drawings

Die beigefügten Zeichnungen tragen zum weiteren Verständnis der vorliegenden Erfindung bei; auf sie wird in der vorliegenden Beschreibung Bezug genommen und sie stellen einen Teil der vorliegenden Beschreibung dar. Die Zeichnungen zeigen die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Grundlagen der Erfindung zu erläutern. Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und viele der beabsichtigten Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich ohne weiteres aus dem besseren Verständnis unter Bezug auf die nachfolgende Beschreibung. Die Elemente der Zeichnungen sind in Bezug zueinander nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen entsprechende ähnliche Teile.The attached Drawings contribute to further understanding of the present invention at; They are referred to in the present specification and they form part of the present specification Drawings show the embodiments of the present invention and together with the description to explain the principles of the invention. Further embodiments of the present invention and many of the intended advantages The present invention will be readily apparent from the better understanding Reference to the following description. The elements of the drawings are not necessarily to scale with respect to each other. Like reference numerals designate corresponding like parts.

1 zeigt ein Blockdiagramm einer Speicherzellvorrichtung. 1 shows a block diagram of a memory cell device.

2 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung von Temperatur zu Radius für verschiedene Impulse zeigt, die durch eine Phasenwechselspeicherzelle getrieben werden. 2 Figure 4 is a graph showing the relationship of temperature to radius for various pulses driven by a phase change memory cell.

3 zeigt eine Querschnittsansicht durch eine Phasenwechselspeicherzelle mit Temperatur-Konturdiagramm. 3 shows a cross-sectional view through a phase change memory cell with temperature contour diagram.

4 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung von Temperatur zu Radius für zwei Impulse zeigt, die durch eine Phasenwechselspeicherzelle gemäß der vorliegenden Erfindung getrieben werden. 4 Fig. 4 is a graph showing the temperature-to-radius relationship for two pulses driven by a phase change memory cell according to the present invention the.

5A zeigt eine Querschnittsansicht durch eine Phasenwechselspeicherzelle mit einem Temperatur-Konturdiagramm, nachdem ein einzelner Impuls durchgelaufen ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 5A FIG. 12 shows a cross-sectional view through a phase change memory cell having a temperature contour diagram after a single pulse has passed, according to one embodiment of the present invention. FIG.

5B zeigt eine Querschnittsansicht durch eine Phasenwechselspeicherzelle mit einem Temperatur-Konturdiagramm, nachdem ein zweiter Impuls durchgelaufen ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 5B FIG. 12 is a cross-sectional view through a phase change memory cell having a temperature contour diagram after a second pulse has passed, in accordance with an embodiment of the present invention. FIG.

Detaillierte BeschreibungDetailed description

In der folgenden detaillierten Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil der Beschreibung darstellen, und in denen spezifische Ausführungsformen, in denen die Erfindung praktiziert werden kann, zeichnerisch dargestellt sind. In diesem Zusammenhang wird richtungweisende Terminologie wie z.B. „oben", „unten", „vorne", „hinten", „vorderer", „hinterer", etc. im Hinblick auf die Ausrichtung der beschriebenen Figur(en) verwendet. Da Teile der Ausführungsformen der vorliegenden Erfin dung in vielen verschiedenen Ausrichtungen positioniert werden können, wird die richtungweisende Terminologie zu Zwecken der Illustration eingesetzt und stellt keineswegs eine Einschränkung dar. Selbstverständlich können andere Ausführungsformen verwendet werden, und es können bauliche oder logische Veränderungen vorgenommen werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die nachfolgende ausführliche Beschreibung ist daher nicht in einschränkendem Sinne zu verstehen, und der Umfang der vorliegenden Erfindung wird durch die beigefügten Ansprüche definiert.In The following detailed description is made to the accompanying drawings Referenced, which forms part of the description, and in which specific embodiments, in which the invention can be practiced, shown in the drawing are. In this context, trend-setting terminology such as. "Top", "bottom", "front", "rear", "front", "rear", etc. with regard to used on the orientation of the figure (s) described. Because parts the embodiments of the present invention positioned in many different orientations can be becomes the trend-setting terminology for purposes of illustration is by no means a limitation. Of course, other embodiments can be used, and it can structural or logical changes be made without departing from the scope of the present invention. The following detailed Description is therefore not to be understood in a limiting sense and the scope of the present invention is defined by the appended claims.

1 zeigt ein Blockdiagramm einer Speicherzellvorrichtung 5. Die Speicherzellvorrichtung 5 weist eine Schreibimpuls-Erzeugungsvorrichtung 6, eine Verteilerschaltung 7 und Speicherzellen 8a, 8b, 8c und 8d auf. Bei einer Ausführungsform sind die Speicherzellen 8a–8d Phasenwechselspeicher, die auf einem Phasenübergang von amorph zu kristallin basieren. Bei einer Ausführungsform erzeugt die Schreibimpuls-Erzeugungsvorrichtung 6 Strom- oder Spannungsimpulse, die über die Verteilerschaltung 7 gesteuert auf die Speicherzellen 8a–8d gerichtet werden. Bei einer Ausführungsform besteht die Verteilerschaltung 7 aus einer Vielzahl von Transistoren, die Strom- oder Spannungsimpulse gesteuert an den Speicher richten, und bei einer anderen Ausführungsformen aus einer Vielzahl von Transistoren, die Strom- oder Spannungsimpulse gesteuert an Heizvorrichtungen in der Nähe des Speichers richten. 1 shows a block diagram of a memory cell device 5 , The memory cell device 5 has a write pulse generating device 6 , a distribution circuit 7 and memory cells 8a . 8b . 8c and 8d on. In one embodiment, the memory cells are 8a - 8d Phase change memories based on a phase transition from amorphous to crystalline. In one embodiment, the write pulse generator generates 6 Current or voltage pulses through the distribution circuit 7 controlled on the memory cells 8a - 8d be directed. In one embodiment, the distribution circuit 7 one of a plurality of transistors controlling current or voltage pulses directed to the memory, and in another embodiment, a plurality of transistors for controlling current or voltage pulses to heaters near the memory.

Bei einer Ausführungsform bestehen die Speicherzellen 8a–8d aus Phasenwechselmaterialien, die unter dem Einfluss eines Temperaturwechsels vom amorphen Zustand in den kristallinen Zustand oder vom kristallinen Zustand in den amorphen Zustand wechseln können. Der amorphe und der kristalline Zustand definieren dabei zwei Bitzustände zum Speichern von Daten in der Speicherzellvorrichtung 5. Die beiden Bitzustände der Speicherzellen 8a–8d unterscheiden sich signifikant in ihrem elektrischen Widerstand. Im amorphen Zustand zeigen die Phasenwechselmaterialien deutlich höheren Widerstand als im kristallinen Zustand. Auf diese Weise kann der einer bestimmten Speicherzelle zugeordnete Bitwert durch Lesen des Zellwiderstands ermittelt werden.In one embodiment, the memory cells exist 8a - 8d phase change materials that can change from the amorphous state to the crystalline state or from the crystalline state to the amorphous state under the influence of a temperature change. The amorphous and crystalline states define two bit states for storing data in the memory cell device 5 , The two bit states of the memory cells 8a - 8d differ significantly in their electrical resistance. In the amorphous state, the phase change materials show significantly higher resistance than in the crystalline state. In this way, the bit value associated with a particular memory cell can be determined by reading the cell resistance.

Um eine Speicherzelle 8a–8d in der Speicherzellvorrichtung 5 zu programmieren, erzeugt die Schreibimpuls-Erzeugungsvorrichtung 6 einen Strom- oder Spannungsimpuls zum Erhitzen des Phasenwechselmaterials in der Ziel-Speicherzelle. Bei einer Ausführungsform erzeugt die Schreibimpuls-Erzeugungsvorrichtung 6 einen geeigneten Strom- oder Spannungsimpuls, und die Verteilerschaltung 7 verteilt den Impuls an die entsprechende Ziel-Speicherzelle 8a–8d. Die Höhe und Dauer des Strom- oder Spannungsimpulses wird in Abhängigkeit davon gesteuert, ob die Speicherzelle gesetzt (set) oder zurückgesetzt (reset) ist. Im Allgemeinen heizt ein „gesetzt" („set") einer Speicherzelle das Phasenwechselmaterial der Ziel-Speicherzelle genügend lange über ihre Kristallisationstemperatur (jedoch unter ihre Schmelztemperatur) genügend, um den kristallisierten Zustand zu erreichen. Im Allgemeinen heizt ein „zurückgesetzt" („reset") einer Speicherzelle das Phasenwechselmaterial der Ziel-Speicherzelle schnell über die Schmelztemperatur auf und schreckt dann das Material schnell ab, wodurch der amorphe Zustand erreicht wird.To a memory cell 8a - 8d in the memory cell device 5 to program generates the write pulse generator 6 a current or voltage pulse for heating the phase change material in the target memory cell. In one embodiment, the write pulse generator generates 6 a suitable current or voltage pulse, and the distribution circuit 7 distributes the pulse to the corresponding target memory cell 8a - 8d , The magnitude and duration of the current or voltage pulse is controlled depending on whether the memory cell is set or reset. In general, a "set" of a memory cell sufficiently heats the phase change material of the target memory cell long enough above its crystallization temperature (but below its melting temperature) to reach the crystallized state. In general, a "reset" of a memory cell quickly heats the phase change material of the target memory cell above the melting temperature and then rapidly quenches the material, thereby achieving the amorphous state.

Um die Ziel-Schmelztemperatur zu erreichen, die benötigt wird, um eine Speicherzelle zurückzusetzen, wird ein Strom- oder Spannungsimpuls relativ großer Höhe und kurzer Dauer von der Schreibimpuls-Erzeugungsvorrichtung 6 an die Ziel-Speicherzelle 8a–8d gesendet, was dazu führt, dass das Phasenwechselmaterial schmilzt und während des nachfolgenden Abschreckens amorphisiert. Um die Ziel-Kristallisationstemperatur zum Setzen einer Speicherzelle zu erreichen, wird ein relativ niedrigerer Strom- oder Spannungsimpuls relativ längerer Dauer von der Schreibimpuls-Erzeugungsvorrichtung 6 an die Ziel-Speicherzelle 8a–8d gesendet, wodurch das Phasenwechselmaterial über die Kristallisationstemperatur erhitzt wird, was seinen Widerstand herabsetzt.In order to achieve the target melting temperature needed to reset a memory cell, a current or voltage pulse of relatively high magnitude and short duration is generated by the write pulse generator 6 to the destination memory cell 8a - 8d which causes the phase change material to melt and amorphize during subsequent quenching. In order to achieve the target crystallization temperature for setting a memory cell, a relatively lower current or voltage pulse of relatively longer duration becomes from the write pulse generator 6 to the destination memory cell 8a - 8d is sent, whereby the phase change material is heated above the crystallization temperature, which reduces its resistance.

Auf diese Weise werden für jede Speicherzelle zwei Zustände definiert. Im Rücksetz-Zustand ist das Phasenwechselmaterial amorph und hat einen hohen Widerstand. Im Setz-Zustand befindet sich das Phasenwechselmaterial im kristallinen Zustand mit niedrigerem Widerstand.In this way two states are defined for each memory cell. In reset state the phase change material is amorphous and has a high resistance. In the set state, the phase change material is in the crystalline state with lower resistance.

2 zeigt eine graphische Darstellung, in der die Temperatur von Phasenwechselmaterial in einer Speicherzelle in Bezug auf den Radius des Pha senwechselmaterials verglichen wird. Eine Vielzahl von Impulssignalen ist gezeigt, und jeder Impuls wird durch eine Speicherzelle getrieben, die Phasenspeichermaterial anfangs im kristallinen Zustand aufweist. In der Darstellung steigt die Temperatur an der vertikalen Achse. In einigen Konfigurationen erwärmt sich das Phasenwechselmaterial in einer Speicherzelle von der Mitte nach außen. Die Mitte des Phasenwechselmaterials einer Speicherzelle ist links gezeigt, und die Bewegung entlang der horizontalen Achse nach rechts fällt zusammen mit der Bewegung von der Mitte des Phasenwechselmaterials zu dessen äußerem Rand. Erste bis fünfte beispielhafte Impulssignale 12, 14, 16, 18 und 20 sind dargestellt. Der erste Impuls 12 weist den niedrigsten Strom bzw. die niedrigste Spannung auf, und der fünfte Impuls 20 den/die höchste(n), wie unten näher erläutert werden wird. Die Schmelztemperatur des Phasenwechselmaterials in einer Speicherzelle ist mit der horizontalen Linie T_melt gezeigt. 2 Figure 4 is a graph comparing the temperature of phase change material in a memory cell with respect to the radius of the phase change material. A plurality of pulse signals are shown, and each pulse is driven through a memory cell having phase-storage material initially in the crystalline state. In the illustration, the temperature rises on the vertical axis. In some configurations, the phase change material in a memory cell heats from the center out. The center of the phase change material of a memory cell is shown on the left, and the movement along the horizontal axis to the right coincides with the movement from the center of the phase change material to its outer edge. First to fifth exemplary pulse signals 12 . 14 . 16 . 18 and 20 are shown. The first impulse 12 has the lowest current or voltage, and the fifth pulse 20 the highest one, as will be explained in more detail below. The melting temperature of the phase change material in a memory cell is shown with the horizontal line T _melt .

3 zeigt eine Querschnittsansicht durch eine beispielhafte Speicherzelle 30, durch die die ersten bis fünften beispielhaften Impulssignale 12, 14, 16, 18 und 20 aus 2 getrieben werden können. Bei einer Ausführungsform weist die Speicherzelle 30 einen ersten Kontakt 32, einen zweiten Kontakt 36, ein Phasenwechselmaterial 34 und Seitenisolatoren 38 auf. Die ersten und zweiten Kontakte 32 und 36 können so gesteuert werden, dass sie einen Impuls durch das Phasenwechselmaterial 34 treiben und es so selektiv erhitzen. Der zweite Kontakt kann beispielsweise an einen Transistor gekoppelt sein, der einen Strom- oder Spannungsimpuls schaltet und dadurch selektiv Strom durch das Phasenwechselmaterial 34 treibt, und der erste Kontakt 36 kann an eine Wortleitung oder einen ähnlichen Bestandteil gekoppelt sein. 3 shows a cross-sectional view through an exemplary memory cell 30 , by which the first to fifth exemplary pulse signals 12 . 14 . 16 . 18 and 20 out 2 can be driven. In one embodiment, the memory cell 30 a first contact 32 , a second contact 36 , a phase change material 34 and side insulators 38 on. The first and second contacts 32 and 36 can be controlled to impulse through the phase change material 34 drive and heat it so selectively. For example, the second contact may be coupled to a transistor that switches a current or voltage pulse, thereby selectively passing current through the phase change material 34 drives, and the first contact 36 may be coupled to a wordline or similar component.

Während einer Rücksetz-Operation schmilzt und amorphisiert das Anlegen erster, zweiter, dritter, vierter oder fünfter beispielhafter Impulssignale 12, 14, 16, 18 oder 20 das Material des Phasenwechselmaterials 34. Um das Phasenwechselmaterial 34 geeignet zu schmelzen und das Rücksetzen durchzuführen, muss ein Impuls mit ausreichender Energie gewählt werden. Dies bedeutet typischerweise, dass die Mitte des Phasenwechselmaterials 34 überhitzt wird. Für die in 2 gegebenen beispielhaften Impulssignale 12–20 kann das erste Signal 12 nicht verwendet werden, da es nicht genügend Energie aufweist, um auch nur die Mitte des Phasenwechselmaterials 34 zu schmelzen, da seine Spitzentemperatur unter der Schmelztemperatur T_melt des Phasenwechselmaterials liegt. Wenn während der Rücksetz-Operation eine ungenügende Menge von Phasenwechselmaterial 34 amorphisiert wird, kann die Speicherzelle 30 nur einen kleinen Leserand anzeigen, der ein schlechtes Lesesignal erzeugt. Das fünfte Signal 20 hat mehr Energie und schmilzt sowohl die Mitte des Phasenwechselmaterials 34 als auch einen Teil des Radius, der sich von der Mitte nach außen bewegt. Durch die Auswahl dieses Impulssignals wird jedoch die Mitte des Phasenwechselmaterials 34 überhitzt, wodurch Energie verschwendet wird und die Ablösung oder chemische Reaktionen des Materials riskiert werden. Eine derartige Phasentrennung des Materials kann zu irreparablen Schäden an der Speicherzelle 30 führen.During a reset operation, the application of first, second, third, fourth, or fifth exemplary pulse signals melts and amorphizes 12 . 14 . 16 . 18 or 20 the material of the phase change material 34 , To the phase change material 34 suitable for melting and resetting, a pulse with sufficient energy must be chosen. This typically means that the center of the phase change material 34 is overheated. For the in 2 given exemplary pulse signals 12 - 20 can be the first signal 12 can not be used because it does not have enough energy to even the center of the phase change material 34 to melt because its peak temperature is below the melting temperature T _{melt of} the phase change material. If there is an insufficient amount of phase change material during the reset operation 34 is amorphized, the memory cell 30 show only a small reader's edge, which produces a bad read signal. The fifth signal 20 has more energy and melts both the middle of the phase change material 34 as well as part of the radius that moves from the center to the outside. However, the selection of this pulse signal becomes the center of the phase change material 34 overheating, which wastes energy and risks the detachment or chemical reactions of the material. Such phase separation of the material can lead to irreparable damage to the memory cell 30 to lead.

Die gestrichelten Linien 40, 42 und 44 in 3 zeigen ausgewählte Bereiche, an denen die Speicherzelle 30 mit einem partiellen Temperaturgradienten überlegt ist. Da sich das Phasenwechselmaterial in einer Speicherzelle typischerweise von der Mitte nach außen erwärmt, ist die Temperatur in dem Bereich 44 am höchsten, während die Temperatur außerhalb des Bereichs 40 am niedrigsten ist, wobei sich die Temperatur dazwischen graduell ändert. Wird ein Impuls mit hoher Energie verwendet, beispielsweise das fünfte Signal 20, kann die Temperatur in dem mit 44 angegebenen Temperaturbereich viel höher sein als die Schmelztemperatur, wodurch Energie in diesem Bereich verschwendet und die Ablösung des Materials dort riskiert wird. Um die Speicherzelle 30 zurückzusetzen, muss die Temperatur in dem Bereich 42 die Schmelztemperatur T_melt des Phasenwechselmaterials erreichen, und somit ist, wenn diese erreicht ist, die Temperatur in dem Bereich 40 höher als die Schmelztemperatur T_melt The dashed lines 40 . 42 and 44 in 3 show selected areas where the memory cell 30 is considered with a partial temperature gradient. Since the phase change material in a memory cell typically warms from the center out, the temperature is in the range 44 highest, while the temperature is out of range 40 is lowest with the temperature gradually changing therebetween. If a high energy pulse is used, such as the fifth signal 20 , the temperature in the with 44 given temperature range much higher than the melting temperature, which wastes energy in this area and the separation of the material is risked there. To the memory cell 30 reset, the temperature must be in the range 42 reach the melting temperature T _{melt of} the phase change material, and thus, when reached, the temperature is in the range 40 higher than the melting temperature T _melt

4 zeigt eine graphische Darstellung, in der die Temperatur von Phasenwechselmaterial in einer Speicherzelle in Bezug auf den Radius des Phasenwechselmaterials verglichen wird. Ein erstes Impulssignal 52 und ein zweites lmpulssignal 54 werden gezeigt. Jeder Impuls wird erfindungsgemäß während einer einzigen Reset-Operation durch eine Speicherzelle, die Phasenwechselma terial aufweist, getrieben. Auf diese Weise wird ein Rücksetzen nicht mit einem einzigen Impuls mit hohem Strom oder hoher Spannung durchgeführt, sondern vielmehr mit einer Vielzahl von Impulsen mit niedrigerem Strom oder niedrigerer Spannung, zwischen denen ausreichend Zeit liegt, um eine partielle Amorphisierung des Phasenwechselmaterials zu ermöglichen. 4 Figure 11 is a graph comparing the temperature of phase change material in a memory cell with respect to the radius of the phase change material. A first pulse signal 52 and a second pulse signal 54 are shown. Each pulse is driven according to the invention during a single reset operation by a memory cell having Phasenwechselma material. In this way, a reset is not performed with a single high current or high voltage pulse, but rather with a plurality of lower current or lower voltage pulses between which there is sufficient time to allow for partial amorphization of the phase change material.

Wie in 2 steigt in der graphischen Darstellung der 4 die Temperatur an der vertikalen Achse. Außerdem ist die Mitte des Phasenwechselmaterials einer Speicherzelle links dargestellt, und die Bewegung entlang der horizontalen Achse nach rechts fällt zusammen mit der Bewegung von der Mitte des Phasenwechselmaterials zu dessen äußerem Rand. Erste und zweite Rücksetz-Impulse 52 und 54 sind gezeigt. Der erste Impuls 52 ist der erste Impuls, der in einer einzigen Rücksetz-Operation verwendet wird, und der zweite Impuls 54 ist der zweite. Für den Fachmann ist es selbstverständlich, dass zusätzliche Impulse in der einzigen Rücksetz-Operation ebenfalls in Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Die Schmelztemperatur des Phasenwechselmaterials in einer Speicherzelle wird mit der horizontalen Linie T_melt dargestellt.As in 2 rises in the graph of the 4 the temperature on the vertical axis. In addition, the center of the phase change material of a memory cell is shown on the left, and the movement along the horizontal axis after right coincides with the movement of the center of the phase change material to its outer edge. First and second reset pulses 52 and 54 are shown. The first impulse 52 is the first pulse used in a single reset operation and the second pulse 54 is the second. It will be understood by those skilled in the art that additional pulses in the single reset operation may also be used in conjunction with the present invention. The melting temperature of the phase change material in a memory cell is represented by the horizontal line T _melt .

5A zeigt einen Querschnitt durch eine beispielhafte Speicherzelle 60, durch die die ersten und zweiten Rücksetz-Impulssignale 52 und 54 aus 4 getrieben werden. Bei einer Ausführungsform weist die Speicherzelle 60 einen ersten Kontakt 62, einen zweiten Kontakt 66, ein Phasenwechselmaterial 64 und Seitenisolatoren 68 auf. Die ersten und zweiten Kontakte 62 und 66 können so gesteuert werden, dass sie einen Impuls durch das Phasenwechselmaterial 64 treiben und es somit selektiv erhitzen. Der zweite Kontakt kann beispielsweise an einen Transistor gekoppelt sein, der einen Strom- oder Spannungsimpuls schaltet und dadurch selektiv Strom durch das Phasenwechselmaterial 64 treibt, und der erste Kontakt 66 kann an eine Wortleitung oder einen ähnlichen Bestandteil gekoppelt sein. 5A shows a cross section through an exemplary memory cell 60 , by which the first and second reset pulse signals 52 and 54 out 4 to be driven. In one embodiment, the memory cell 60 a first contact 62 , a second contact 66 , a phase change material 64 and side insulators 68 on. The first and second contacts 62 and 66 can be controlled to impulse through the phase change material 64 drive and thus heat it selectively. For example, the second contact may be coupled to a transistor that switches a current or voltage pulse, thereby selectively passing current through the phase change material 64 drives, and the first contact 66 may be coupled to a wordline or similar component.

Während einer einzigen Reset-Operation wird das erste Impulssignal 52 durch das Phasenwechselmaterial 64 getrieben, um wenigstens einen Teil davon zu schmelzen. Der Energiepegel in dem ersten Impuls 52 ist so gewählt, dass er hoch genug ist, um einen Teil des Phasenwechselmaterials 64 zu schmelzen, jedoch nicht das gesamte Volumen. Dieser geschmolzene Teil wird dann während des folgenden kurzen Abschreckens amorphisiert. Auf diese Weise wird während des nachfolgenden Abkühlens nur ein kleiner Unterbereich des Phasenwechselmaterials 64 amorphisiert. Dieser Unterbereich von amorphisiertem Material hat einen viel höheren Widerstand (z.B. 3 Größenordnungen höher) als die umgebenden kristallinen Bereiche. In 5A ist dieser kleine Unterbereich des Phasenwechselmaterials 64, der geschmolzen und amorphisiert ist, der Bereich 74 in der Mitte. Die Temperatur ist in den konzentrischen Bereichen 72 und 70 progressiv niedriger, so dass in diesen Bereichen mit dem ersten Impuls 52 die Schmelztemperatur T_melt nicht erreicht wird. Das erste Impulssignal 52 ist auch in 4 nahe der Mitte des Phasenwechselmaterials 64 über der Schmelztemperatur T_melt des Phasenwechselmaterials gezeigt.During a single reset operation, the first pulse signal becomes 52 through the phase change material 64 driven to melt at least a portion of it. The energy level in the first pulse 52 is chosen to be high enough to be part of the phase change material 64 to melt, but not the entire volume. This molten part is then amorphized during the following short quenching. In this way, during the subsequent cooling, only a small subregion of the phase change material 64 amorphized. This subregion of amorphized material has much higher resistance (eg, 3 orders of magnitude higher) than the surrounding crystalline regions. In 5A is this small subsection of the phase change material 64 that is melted and amorphized, the area 74 in the middle. The temperature is in the concentric areas 72 and 70 progressively lower, so in those areas with the first pulse 52 the melting temperature T _{melt is} not reached. The first pulse signal 52 is also in 4 near the middle of the phase change material 64 shown above the melting temperature T _{melt of} the phase change material.

Als nächstes wird während der einzigen Reset-Operation das zweite Impulssignal 54 durch das Phasenwechselmaterial 64 getrieben, um wieder Material zu schmelzen und zu amorphisieren. Da der gerade durch das erste Impulssignal 52 erhitzte und abgeschreckte Bereich einen viel höheren Widerstand hat als die umgebenden Bereiche, wird das zweite Impulssignal 54 in die Bereiche niedrigeren Widerstands geleitet und schmilzt und amorphisiert Material in diesen Bereichen. In 5B sind diese Bereiche relativ niedrigeren Widerstands in dem Phasenwechselmaterial 64, die durch das zweite Impulssignal 55 geschmolzen werden, die Bereiche 88 und 89. Wiederum ist die Temperatur in den konzentrischen Bereichen, die von den Mitten 88 und 89 ausgehen, z.B. den Bereichen 86, 84, 82 und 80, progressiv niedriger. Das zweite Impulssignal 52 ist auch in 4 weiter von der Mitte des Phasenwechselmaterials 64 entfernt über der Schmelztemperatur T_melt des Phasenwechselmaterials gezeigt.Next, during the single reset operation, the second pulse signal 54 through the phase change material 64 driven to melt material again and amorphize. Since the just by the first pulse signal 52 heated and quenched area has a much higher resistance than the surrounding areas, becomes the second pulse signal 54 directed into the areas of lower resistance and melts and amorphizes material in these areas. In 5B These are areas of relatively lower resistance in the phase change material 64 by the second pulse signal 55 be melted, the areas 88 and 89 , Again the temperature is in the concentric areas, that of the centers 88 and 89 go out, for example, the areas 86 . 84 . 82 and 80 , progressively lower. The second pulse signal 52 is also in 4 farther from the center of the phase change material 64 removed above the melting temperature T _{melt of} the phase change material.

Auf diese Weise kann das Phasenwechselmaterial 64 während einer einzigen Rücksetz-Operation voll amorphisiert werden, indem mehrere Impulssignale mit einem niedrigeren Energiepegel als vorher benötigt verwendet werden. Obwohl eine Ausführungsform zwei derartige Impulse zeigt, können während einer einzigen Rücksetz-Operation drei, vier oder zusätzliche weitere Impulse verwendet werden. Weil es nicht notwendig ist, die Mitte des Phasenwechselmaterials 64 zu überhitzen, wenn mehrere Impulssignale verwendet werden, weist die Speicherzelle 60 eine bessere Energieeffizienz auf als frühere Phasenwechselspeicherzellen. Die erfindungsgemäße Speicherzelle 60 riskiert auch nicht die Phasentrennung des Phasenwechselmaterials 64, die manchmal mit Überhitzen einhergeht.In this way, the phase change material 64 be fully amorphized during a single reset operation by using multiple pulse signals with a lower energy level than previously needed. Although one embodiment shows two such pulses, three, four or additional additional pulses may be used during a single reset operation. Because it is not necessary, the middle of the phase change material 64 to overheat when multiple pulse signals are used, the memory cell indicates 60 a better energy efficiency than previous phase change memory cells. The memory cell according to the invention 60 also does not risk the phase separation of the phase change material 64 sometimes associated with overheating.

Bei einer Ausführungsform kann ein Speicherchip eine Vielzahl von Speicherzellen 60 aufweisen, so dass sich Tausende, Millionen oder mehr derart konfigurierter Speicherzellen in dem Speicherchip befinden.In one embodiment, a memory chip may include a plurality of memory cells 60 so that there are thousands, millions or more of such configured memory cells in the memory chip.

Das Phasenwechselmaterial 64 kann gemäß der vorliegenden Erfindung aus einer Vielzahl von Materialien bestehen. Im Allgemeinen sind Chalkogenid-Legierungen, die ein Element oder mehrere Elemente aus Spalte IV des Periodensystems enthalten, als solche Materialien verwendbar. Bei einer Ausführungsform besteht das Phasenwechselmaterial 64 der Speicherzelle 60 aus einer Chalkogenid-Verbindung wie GeSbTe oder AgInSbTe.The phase change material 64 may according to the present invention consist of a variety of materials. In general, chalcogenide alloys containing one or more elements from column IV of the periodic table are useful as such materials. In one embodiment, the phase change material 64 the memory cell 60 from a chalcogenide compound such as GeSbTe or AgInSbTe.

Ähnlich können die verschiedenen anderen Bestandteile der Speicherzelle 60 eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Materialien aufweisen. Bei einer Ausführungsform kann der erste Kontakt 62 aus Wolfram oder einer Titannitrid-Zusammensetzung bestehen, und der zweite Kontakt 66 kann ein Wolframstecker sein. Bei einer Ausführungsform sind die Seitenisolatoren 68 Isolatormaterialien wie Siliziumdioxid. Andere Isolatoren können ebenfalls verwendet werden.Similarly, the various other components of the memory cell 60 have a plurality of materials according to the invention. In one embodiment, the first contact 62 of tungsten or a titanium nitride composition, and the second contact 66 can be a tungsten plug. In one embodiment, the side insulators are 68 Insulator materials such as silicon dioxide. Other insulators can also be used.

Außerdem kann die spezifische Konfiguration der Speicherzelle 60 eine Vielzahl von Formen entsprechend der vorliegenden Erfindung aufweisen. Obwohl die Speicherzelle 60 als active-in-via Zelle von im Allgemeinen zylindrischer Form gezeigt ist, ist es für den Fachmann selbstverständlich, dass entsprechend der vorliegenden Erfindung eine Vielzahl von Zellen, die einen Teil Phasenwechselmaterial aufweisen, durch das mehrere Impulssignale getrieben werden, verwendet werden können.In addition, the specific configuration of the memory cell 60 have a variety of shapes according to the present invention. Although the memory cell 60 As shown as an active-in-via cell of generally cylindrical shape, it will be understood by those skilled in the art that in accordance with the present invention, a plurality of cells having a portion of phase change material through which a plurality of pulse signals are driven may be used.

Bei einer Ausführungsform werden mehrere Strom- oder Spannungsimpulse durch das Phasenwechselmaterial 64 getrieben, um das Material während einer Rücksetz-Operation zu schmelzen und zu amorphisieren. Bei einer alternativen Ausführungsform werden mehrere Spannungsimpulse an das Phasenwechselmaterial 64 angelegt. In diesem Fall sollten die Spannungsimpulse bei einer bestimmten Rücksetz-Operation von zunehmender Größe sein, um dem Anstieg des reinen Widerstands des Phasenwechselmaterials 64, der durch den partiellen Phasenwechsel, der in dem Material nach jedem zusätzlichen Impuls auftritt, Rechnung zu tragen.In one embodiment, multiple current or voltage pulses are passed through the phase change material 64 driven to melt and amorphize the material during a reset operation. In an alternative embodiment, multiple voltage pulses are applied to the phase change material 64 created. In this case, the voltage pulses in a particular reset operation should be of increasing magnitude to the increase in the pure resistance of the phase change material 64 to account for the partial phase change that occurs in the material after each additional pulse.

Bei einer Ausführungsform können mehrere Spannungsimpulse konstanter Größe bei einem einzigen Rücksetzen verwendet werden, um die größte Menge von Strom, die ein mit dem Phasenwechselmaterial 64 gekoppelter Transistor liefern kann, zu ziehen. Wenn diese Menge von Strom nicht ausreicht, um das Phasenwechselmaterial 64 zu schmelzen, zieht der nächste Impuls einen höheren Strom, weil sich der Zellwiderstand wegen des in dem Material auftretenden partiellen Phasenwechsels erhöht hat.In one embodiment, a plurality of constant size voltage pulses may be used in a single reset to provide the largest amount of current associated with the phase change material 64 coupled transistor can supply, pull. If this amount of electricity is insufficient, the phase change material 64 To melt, the next pulse draws a higher current, because the cell resistance has increased because of the occurring in the material partial phase change.

Da die Speicherzelle 60 niedrigeren Spitzenstrom oder niedrigere Spitzenspannung verwendet, erlaubt sie eine kompaktere Größe und kann kosteneffizienter hergestellt werden. Auch baut sich in der Speicherzelle 60 weniger Belastung auf als bei Systemen, die auf die Verwendung von Einzelimpulsen beschränkt sind, und die Spitzentemperatur ist niedriger.Because the memory cell 60 Used lower peak current or lower peak voltage, it allows a more compact size and can be produced more cost-effectively. Also builds up in the memory cell 60 Less stress than systems that are limited to the use of single pulses, and the peak temperature is lower.

Bei einer Ausführungsform wird das erste Impulssignal 52 bei 1,11 Volt und 315 Mikroampere (μA) geliefert. Das zweite Impulssignal 54 wird dann bei 1,33 Volt und 308μA geliefert. Zwischen den ersten und zweiten Impulsen 52 und 54 kann sich das Phasenwechselmaterial 64 ca. 5 Nanosekunden (ns) lang abkühlen.In one embodiment, the first pulse signal becomes 52 delivered at 1.11 volts and 315 microamps (μA). The second pulse signal 54 is then delivered at 1.33 volts and 308μA. Between the first and second impulses 52 and 54 can the phase change material 64 Cool for about 5 nanoseconds (ns).

Obwohl mehrere Impulse verwendet werden, wobei zwischen den Impulsen einige Zeit zum Abschrecken des Materials zur Verfügung steht, sollte die für die Mehrimpuls-Rücksetz-Operation benötigte Gesamtzeit den reinen Schreibschritt für eine Vielzahl von Speicherzellen 60, die als ein Speicherchip integriert sind, nicht wesentlich beeinflussen. Für derartige Speicherchips wird die zum Schreiben eines Bits benötigte Zeit normalerweise durch die Dauer der Setz-Operation bestimmt, die typischerweise fünf bis zehn Mal länger ist als die Rücksetz-Operation. Typischerweise dauert eine Setz-Operation 20 bis 100ns länger als eine Rücksetz-Operation. So beträgt beispielsweise, wenn die Abschreckzeiten zwischen den Impulsen bei einer Mehrimpuls-Rücksetz-Operation im Bereich von 1 bis 2ns liegen und die Heizimpulse selbst ca. 5ns dauern, die Gesamtzeit für eine Mehrimpuls-Rücksetz-Operation immer noch weniger als 30ns. Dies ist immer noch weniger Zeit als bei einer typischen Setz-Operation.Although multiple pulses are used, with some time available between the pulses to quench the material, the total time required for the multi-pulse reset operation should be the clean writing step for a plurality of memory cells 60 , which are integrated as a memory chip, do not significantly affect. For such memory chips, the time required to write a bit is normally determined by the duration of the set operation, which is typically five to ten times longer than the reset operation. Typically, a set operation lasts 20 to 100 ns longer than a reset operation. For example, if the quenching times between pulses in a multi-pulse reset operation are in the range of 1 to 2 ns and the heating pulses themselves last about 5 ns, the total time for a multi-pulse reset operation is still less than 30 ns. This is still less time than a typical placement operation.

Obwohl hier besondere Ausführungsformen gezeigt und beschrieben worden sind, ist es für den Fachmann selbstverständlich, dass eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Implementierungen die gezeigten und beschriebenen besonderen Ausführungsformen ersetzen können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die vorliegende Anmeldung soll alle Anpassungen oder Variationen der hier erörterten besonderen Ausführungsformen umfassen. Daher soll die vorliegende Erfindung nur durch die Ansprüche und deren Äquivalente eingeschränkt werden.Even though shown here special embodiments and have been described, it is obvious to the person skilled in the art, that a variety of alternative and / or equivalent implementations can replace the particular embodiments shown and described without depart from the scope of the present invention. The present Registration should include any adjustments or variations of the ones discussed here particular embodiments include. Therefore, the present invention only by the claims and their equivalents limited become.

Claims

Method for resetting a memory cell, the method comprising: Providing a first electrical Write pulse for the phase change material in the memory cell; Heating one first part of the phase change material with the first write pulse, until it is melted; Enable, that the first part of the phase change material is below the melting temperature cools; Provide a second write pulse for the phase change material in the memory cell; Heating one second part of the phase change material with the second write pulse, until it is melted; and Allow the second one Part of the phase change material cools.

The method of claim 1, further comprising: Provide a third write pulse for the phase change material in the memory cell; Heating one third part of the phase change material with the third write pulse, until it is melted; and Allow the third Part of the phase change material cools.

The method of claim 2, further comprising: providing a fourth write pulse to the phase change material in the memory cell; Heating a fourth portion of the phase change material with the fourth write pulse until it has melted; and allowing the fourth portion of the phase change material to cool.

The method of claim 1, wherein the heating of the first part and enabling that he cools down, the first part changes into an amorphous state, which has a higher resistance has as the remaining parts of the phase change material.

The method of claim 4, wherein after providing of the second write pulse for the phase change material the higher Resistance of the first part rather heating of the second part caused as the first part.

The method of claim 1, wherein the providing the first write pulse comprises providing one of the group includes a current pulse and a voltage pulse.

Method according to claim 1, wherein the heating times of the first and second parts in the range of 0 to 5 nanoseconds and the cooling times ranging from 0 to 2 nanoseconds.

The method of claim 7, wherein the reset operation takes less than 35 nanoseconds.

The method of claim 1, wherein the first write pulse is passed through the phase change material and thereby the material heated.

Memory cell device with: a memory cell with a phase change material that is set and reset (reset) can be; a write pulse device for generating at least first and second write strobe signals for a single one Reset operation the memory cell, wherein the first write pulse signal is a first part the phase change material of the memory cell heats and melts, and wherein the second write pulse signal comprises a second part of the Phase change material of the memory cell heats and melts.

A memory cell device according to claim 10, wherein the first part of the phase change material of the memory cell is amorphized after being heated by the first write pulse and then quenched has been.

A memory cell device according to claim 10, wherein the second part of the phase change material of the memory cell is amorphized after being heated by the second write pulse and subsequently has been deterred.

A memory cell device according to claim 10, wherein the phase change material during the phase change undergoes a material expansion of less than 15%.

A memory cell device according to claim 10, wherein the setting of the phase change material of the memory cell the setting of the material is in a crystalline state, and being the reset (resetting) of the phase change material of the memory cell setting of the material is in an amorphous state.

A memory cell device according to claim 10, wherein the phase change material from a group containing GeSbTe, AgInSbTe, GeSb, GaSb and chalcogenide alloys is selected.

Storage device with: a variety of Phase change memory cells, each a phase change material which can be set and reset; one Write pulse generating device comprising at least first and second Write pulse signals for one single reset operation generated; and a distribution circuit for distributing the first and second write strobe signals for a single reset operation to a selected one Memory cell; wherein the first write pulse signal is a first part the phase change material of the selected memory cell heated and melts, and wherein the second write pulse signal has a second Part of the phase change material of the selected memory cell heated and melts.

The memory device of claim 16, wherein the generated write pulse passed through the phase change material and thereby the material is heated.

A memory device according to claim 16, wherein said Phase change material from a group containing GeSbTe, AgInSbTe, GeSb, GaSb and chalcogenide alloys is selected.

A memory device according to claim 16, which is in a RAM device is configured.

A memory device according to claim 16, wherein said Phase change memory cells, the write pulse device and the Sensor device are integrated in a single chip.